JP3440819B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法（Czochralski Method、ＣＺ法）によりシリコン種結
晶（以下、単に種結晶と呼ぶこともある）を使用してネ
ッキングを行いシリコン単結晶棒を成長させるシリコン
単結晶の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製
造においては、単結晶シリコンを種結晶として用い、こ
れをシリコン融液に接触させた後、回転させながらゆっ
くりと引上げることで単結晶棒を成長させている。この
際、種結晶をシリコン融液に接触させた後に、熱衝撃に
より種結晶に高密度で発生するスリップ転位から伝播に
より生ずる転位を消滅させるために、直径を３ｍｍ程度
に一旦細くし絞り部を形成するいわゆる種絞り（ネッキ
ング）を行い、次いで、所望の口径になるまで結晶を太
らせて、無転位のシリコン単結晶を引上げている。この
ような、種絞りはＤａｓｈ Ｎｅｃｋｉｎｇ法として広
く知られており、ＣＺ法でシリコン単結晶棒を引上げる
場合の常識とされている。

【０００３】すなわち、従来用いられてきた種結晶の形
状は、例えば直径あるいは一辺約８〜２０ｍｍの円柱状
や角柱状の単結晶に種ホルダーにセットするための切り
欠き部を設けたもので、最初にシリコン融液に接触する
下方の先端形状は、平坦面となっている。そして、高重
量の単結晶棒の重量に耐えて安全に引上げるためには、
種結晶の太さは、素材の強度からして上記以下に細くす
ることは難しい。

【０００４】このような形状の種結晶では、融液と接触
する先端の熱容量が大きいために、種結晶が融液に接触
した瞬間に結晶内に急激な温度差を生じ、スリップ転位
を高密度に発生させる。従って、このスリップ転位を消
去して単結晶を育成するために前記ネッキングが必要に
なるのである。

【０００５】しかし、このような状態ではネッキング条
件を種々に選択しても、無転位化するためには、少なく
とも最小直径を３〜５ｍｍ程度までは絞り込む必要があ
り、近年のシリコン単結晶径の大口径化に伴い、高重量
化した単結晶棒を支持するには強度が不充分であり、単
結晶棒引上げ中に、この細い絞り部が破断して単結晶棒
が落下する等の重大な事故を生じる恐れがあった。

【０００６】このような問題を解決するために、本出願
人は先に特開平５−１３９８８０号、特願平８−８７１
８７号のような発明を提案した。これらの発明は、種結
晶の先端部の形状を楔形あるいは中空部を有する形状と
し、種結晶がシリコン融液に接触する時に入るスリップ
転位をできるだけ低減することによって、絞り部の直径
を比較的太くしても無転位化を可能とし、もって絞り部
の強度を向上させるものである。

【０００７】この方法では、絞り部の太さを太くするこ
とができるので、ある程度絞り部の強度の向上ができる
けれども、ネッキングを行い、転位のある絞り部を形成
することには変わりがなく、近年ますます大直径、長尺
化し、例えば２００Ｋｇ以上にもなる単結晶棒の引上げ
には、少なくとも直径５ｍｍ以上ないと強度が不充分と
なる場合があり、根本的な解決にまで至っていない。

【０００８】しかも、この先端部が特殊形状の種を用い
たネッキング種付け法で問題となるのは、その無転位化
成功率である。すなわち、これらの方法では、一度結晶
の無転位化に失敗すると、種結晶を交換しなければ、や
り直しができないので、成功率を向上させることが特に
重要である。ネッキングの太さを単に太くしても無転位
化はできず、従来のネッキングでは直径が６〜７ｍｍ以
上となると、無転位化の確率は極度に低くなる。

【０００９】そしてこの場合、無転位化成功率が低下す
る原因を調査、究明した所、種結晶の形状、湯面近傍で
の保温時間、溶かし込む速度等従来から制御対象とされ
てきた要因だけでは必ずしも十分ではなく、成功率が必
ずしも高くなく、十分な再現性は得られていなかった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明はこの
ような従来の問題点に鑑みてなされたもので、太いネッ
キングを行う種付け法の場合に、無転位化成功率を低下
させることなく、単結晶棒を成長させ、大直径、高重量
のシリコン単結晶の生産性を向上させるシリコン単結晶
の製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明の請求項１に記載した発明は、先端の尖ったシリ
コン種結晶を用いて、先端から所定の直径の位置までシ
リコン融液に溶かし込み、その後ネッキングを行って絞
り込み部、絞り部を形成し、その後拡径して単結晶棒を
引上げるシリコン単結晶の製造方法において、前記種結
晶先端部の溶かし込みを、絞り部の狙い直径の１．１倍
以上２倍未満の径の位置まで行った後、ネッキングを行
い、該ネッキングの初期段階では円錐状に絞り込んで絞
り込み部を形成し、該絞り込み部の最小直径を５ｍｍ以
上とし、その後に絞り部を形成し、次いで拡径して単結
晶棒を引上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造
方法である。

【００１２】このように、先端の尖ったシリコン種結晶
を用いて、先端から所定の直径の位置、すなわち絞り部
の狙い直径の１．１倍以上２倍未満の径の位置までシリ
コン融液に溶かし込んで熱衝撃を緩和し、その後ネッキ
ングを行い、その初期段階で円錐状に絞り込んで絞り込
み部を形成し、該絞り込み部の最小直径を５ｍｍ以上と
して絞り部を形成し、次いで拡径して単結晶棒を引上げ
るようにすれば、２倍以上の径の位置まで時間を掛けて
余分に溶かし込む必要もなく、スリップ転位の発生の危
険性も大巾に減少する。また、例えスリップ転位が発生
したとしても、絞り込み部の存在により転位を効率的に
減少させることができるので、無転位化成功率とその再
現性を高めることが可能となる。この場合、絞り部を太
くしても無転位化の再現性は高い。従って、所望の太さ
の絞り部を形成することができるので大直径化、高重量
化に対応した生産性の向上、コストダウンを図ることが
できる。

【００１３】そしてこの場合、請求項２に記載したよう
に、前記絞り部の長さを５ｍｍ以上とすることが望まし
い。このように、シリコン種結晶の絞り部の長さを５ｍ
ｍ以上とすれば、種結晶先端部の溶かし込みの位置を、
絞り部の狙い直径の１．１倍以上２倍未満としてもスリ
ップ転位を確実に除去できることがわかった。絞り部の
長さが５ｍｍ未満では、スリップ転位を完全に除去でき
ないことがあり、無転位化成功率が小さくなることがあ
るので、絞り部の長さは５ｍｍ以上を維持することが望
ましい。

【００１４】また、本発明の請求項３に記載したよう
に、前記種結晶を融液に溶かし込む操作において、溶か
し込み終了後は、５分間以内にネッキング操作に移行す
ることが好ましい。前記種結晶を融液に溶かし込む操作
によって、溶かし込み終了後は、０〜５分の間にネッキ
ング操作に移行するようにすれば、溶かし込み後にスリ
ップ転位が発生あるいは増殖することが殆どなくなり、
無転位化成功率を一層向上させることができる。これは
高温の湯面上での保持時間が５分を越えるように余り長
くなると、新たにスリップ転位が発生したり、あるいは
例え種結晶の融液への接触時に僅かなスリップ転位しか
入らなかったとしても、その後の高温保持により増殖し
てしまうからである。

【００１５】本発明では、種結晶の溶かし込み位置を、
絞り部狙い直径の１．１倍以上２倍未満と細くしたか
ら、スリップ転位が入る恐れも減少すると共に、溶かし
込み時間も短縮され、溶かし込み終了後は、直ちにネッ
キング操作に移行できるので無転位化成功率を極めて向
上させることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図
１に、本発明の太い絞り部を形成するネッキングの形状
を示す。本発明者らは、シリコン単結晶棒の成長に際
し、ネッキングを行う場合において、特に太い絞り部を
形成しようとすると、その無転位化成功率やその再現性
が十分満足し得る水準に達しない場合があり、その原因
を調査、究明したところ、スリップ転位の発生要因とし
て、種結晶の先端部を融液に溶かし込んだ時の直径、絞
り部の直径、絞り部の長さおよび種結晶の先端部融解後
ネッキングに移行するまでの時間（保持時間）等が深く
関係していることを見出し、詳細に条件を詰めて本発明
を完成させた。

【００１７】先ず、従来から行われてきた太い直径でネ
ッキングを行う場合の要因を抽出し、調査、実験を繰り
返して下記のような無転位化条件を確立した。調査した
要因は、表１に示したように、種結晶先端部の溶かし込
み直径（Ａ）、溶かし込み後ネッキング操作に移行する
までの保持時間（ａ）、絞り部直径（Ｂ）および絞り部
長さ（Ｃ）である。

【００１８】シリコン種結晶１として、シリコン種結晶
直胴部２の一辺が１４ｍｍの四角棒で、シリコン種結晶
先端部３を２０度に円錐状にテーパ加工し、混酸により
表面を約４００μｍエッチングしたものを使用して、種
結晶ホルダ６にセットし、直径１５０ｍｍ（６インチ）
の単結晶棒を成長させて無転位化の成功率を調査した。

【００１９】種結晶を融液に接触させる操作は、先ず上
記シリコン種結晶１をシリコン融液上５ｍｍの位置で５
分間保温した後、シリコン種結晶１を融液中に２．０ｍ
ｍ／ｍｉｎの速度で下降させ、先端部を溶かし込んだ。
所定長さ挿入し、シリコン種結晶先端部３の径がＡｍｍ
［２Ｂ＞Ａ≧１．１Ｂ］となるまで溶かし込んだ後、シ
リコン種結晶１をその位置でａ分間保持した後、ネッキ
ング操作に移行して逆円錐形状の絞り込み部４を形成
し、所定の絞り部直径Ｂまで絞り込み、その後円柱状の
長さＣの絞り部５を形成し、次いで拡径して単結晶棒を
所定の単結晶成長速度で引上げるものである。

【００２０】このようにネッキングされたシリコン単結
晶の成長における結晶の無転位化成功率を表１に示し
た。ここで、無転位化成功率（％）［ＤＦ化率ともい
う］とは、単結晶棒の引上げ本数に対する転位の発生が
なかった単結晶棒本数の割合を百分率で表した値であ
る。

【００２１】

【表１】

【００２２】この表からＡ〜Ｃ、ａの要因と無転位化成
功率との間には次のような関係があることが明らかにな
った。 ［１］シリコン種結晶先端部３の溶かし込み直径Ａは、
絞り部直径Ｂの１．１倍以上２倍未満の太さが必要であ
る（試験No. １、５、６の試験結果の比較）。これは、
溶かし込み後のネッキングの過程で転位を確実に抜くた
めには、ネッキングの初期の段階でテーパ状に直径を小
さく絞り込む絞り込み部を形成することがネッキングを
行う無転位化には必要だからである。ここで絞り込まな
いで、溶かし込み直径のままの円柱状の絞り部を形成す
ると転位が減少しにくいことが別の試験でも確かめられ
ている。

【００２３】［２］シリコン種結晶先端部３を融液に溶
かし込む操作において、溶かし込み終了後の保持時間ａ
を５分間以内とし、直ちにネッキング操作に移行するこ
とが好ましい（試験No. １、３の試験結果の比較）。こ
の溶かし込み操作は、ネッキングに適した温度で行い、
溶かし込み終了後は、０〜５分の間にネッキング操作に
移行するようにすれば、溶かし込み後に新たにスリップ
転位が発生すること、あるいはスリップ転位が増加する
ことが殆どなくなり、無転位化成功率を一層向上させる
ことができる。これは高温の湯面上での保持時間が５分
を越えるように余り長くなると、新たにスリップ転位が
発生するようになるし、また、もしスリップ転位が入っ
たまま高温に保持されるとスリップ転位が増加してしま
うからである。

【００２４】［３］ネッキングにおける絞り部長さＣを
５ｍｍ以上に成長させることで、転位を除去することが
可能となった（試験No. １、２、４の試験結果の比
較）。但し、実用的な長さは５０ｍｍ位までで充分で、
これ以上長過ぎても転位除去効果は少なく、ネッキング
に長時間かかり、生産性が低下するようになる。

【００２５】ここで、図２は種結晶溶かし込み後のシリ
コン融液中での種結晶の保持時間とスリップ転位密度の
関係を調べた結果を表している。ここで転位密度とは、
種結晶を成長軸方向と平行な面で切断し、その切断面を
選択エッチングした後に種結晶中心部で観察されるピッ
ト密度を言い、このピット密度とスリップ転位の発生数
には相関が見られる。この図から明らかなように、シリ
コン融液中での種結晶の保持時間を長くすればする程、
転位密度が増加していることが判る。転位密度が増加す
れば、その後のネッキングにおいて転位が抜けにくくな
ってしまう。

【００２６】表１の試験No. ７は、比較例として試験し
たもので、種結晶の形状を直径６．６ｍｍの丸棒で先端
は平面とした以外は、試験No. １と同様の条件でネッキ
ングを行ったものであるが、尖った先端部のない種結晶
を使用し、単に絞り部を太くしたのでは、無転位化成功
率は極端に悪化する。

【００２７】このように、本発明の先端の尖った種結晶
を用いて直径５ｍｍ以上のネッキングを行う方法では、
種結晶先端部の溶かし込み直径Ａが、絞り部直径Ｂの
１．１倍以上２倍未満の太さで、絞り部長さＣを５ｍｍ
以上成長させること、ならびに溶かし込み後の保持時間
ａの三つの要因が無転位化成功率に深く関わっており、
これらを適切な範囲内に制御すれば、ネッキングにおい
て確実に転位を除去し、引上げ結晶に転位が発生するこ
とは殆どなくなり、高い無転位化成功率を再現性よく維
持することができると共に、特に大口径、高重量の単結
晶の成長に寄与するので、生産性、歩留りの向上および
コストダウンを図ることができる。

【００２８】本発明のネッキング法に使用される種結晶
としては、従来から無転位種付け法用として使用されて
きた、シリコン融液に接触させる先端部が、尖った形ま
たは尖った先端を切り取った形で、円錐または角錐形状
であり、胴体が円柱または角柱形状のもの等が好まし
い。従って、本発明でいう先端が尖った種結晶とは、こ
れらを含むものである。

【００２９】そして、種結晶の直胴部の太さは、特に限
定されるものではないが、丸棒の場合は直径を１４ｍｍ
以上とし、四角形の場合は１４ｍｍ角以上、多角形等の
角棒の場合は種結晶断面に内接する円の直径が１４ｍｍ
以上とすれば、ネッキングの直径を５ｍｍ以上と太くし
ても、種結晶と絞り部の間に十分なテーパ状の絞り込み
部が形成されるので、スリップ転位が確実に除去される
と共に、種結晶自体の強度も充分なので、大直径化、高
重量化に十分対応することができる。

【００３０】このような種結晶において、先端部の頂角
は２８度以下が好ましく、これによって種付け時の熱応
力が緩和され、スリップ転位の発生は非常に少なくある
いはなくなる。さらに溶かし込みの過程でも、緩やかな
直径変化によってスリップ転位の増加は確実に抑制され
る。

【００３１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３２】例えば、本発明の実施形態では、直径１５
０ｍｍ（６インチ）のシリコン単結晶棒を成長させてい
るが、近年の２００ｍｍ（８インチ）〜４００ｍｍ（１
６インチ）あるいはそれ以上の大直径化にも十分対応す
ることができる。

【００３３】また、本発明は、通常のチョクラルスキー
法のみならず、シリコン単結晶の引上げ時に磁場を印加
するＭＣＺ法(Magnetic field applied Czochralski cr
ystal growth method)にも同様に適用できることは言う
までもなく、本明細書中で使用したチョクラルスキー法
という用語には、通常のチョクラルスキー法だけでな
く、ＭＣＺ法も含まれる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶棒を引上げ
る際に、ネッキングを行う太絞り種付け法において、ネ
ッキングによる無転位化成功率はほぼ９０％以上を達成
し、その再現性もよく、長期安定化させることができ
る。従って、今後の単結晶棒の大直径化、長尺化、高重
量化にも十分適応させることが可能であり、生産性、歩
留りならびにコストを著しく改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の太い絞り部を形成するネッキングの形
状を示す説明図である。

【図２】種結晶溶かし込み後の保持時間とスリップ転位
密度の関係を表わすグラフである。

【符号の説明】

１…シリコン種結晶、２…シリコン種結晶直胴部、３…
シリコン種結晶先端部、４…絞り込み部、５…絞り部、
６…種結晶ホルダ。Ａ…種結晶先端部溶かし込み直径、
Ｂ…絞り部直径、Ｃ…絞り部長さ。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00 ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 先端の尖ったシリコン種結晶を用いて、
   先端から所定の直径の位置までシリコン融液に溶かし込
   み、その後ネッキングを行って絞り込み部、絞り部を形
   成し、その後拡径して単結晶棒を引上げるシリコン単結
   晶の製造方法において、前記種結晶先端部の溶かし込み
   を、絞り部の狙い直径の１．１倍以上２倍未満の位置ま
   で行った後、ネッキングを行い、該ネッキングの初期段
   階では円錐状に絞り込んで絞り込み部を形成し、該絞り
   込み部の最小直径を５ｍｍ以上とし、その後に絞り部を
   形成し、次いで拡径して単結晶棒を引上げることを特徴
   とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 【請求項２】 前記絞り部の長さを５ｍｍ以上とするこ
   とを特徴とする請求項１に記載したシリコン単結晶の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記シリコン種結晶を融液に溶かし込む
   操作において、溶かし込み終了後は、５分間以内にネッ
   キング操作に移行することを特徴とする請求項１または
   請求項２に記載の単結晶の製造方法。